Страница 4 из 83
При обработке в мягких условиях кислотами, или щелочами, или определенными энзимами молекулы белков удастся расщепить на аминокислоты, а не на отдельные атомы. Аминокислоты являются малыми молекулами, построенными из 10 — 30 атомов, поэтому их довольно легко изучать.
Например, было обнаружено, что все аминокислоты, выделенные из белковых молекул, принадлежат к одному семейству химических соединений, которые можно записать одной общей формулой:
Расположенная в центре структурной формулы латинская буква «С» обозначает атом углерода (С — химический символ, обозначающий элемент углерод). Справа к углероду, как показано выше, присоединена комбинация из четырех атомов СООН, в которой представлены 1 атом углерода, 2 атома кислорода и 1 атом водорода. Такая комбинация придает всей молекуле кислотные свойства и называется карбоксильной группой. Слева к центральному атому углерода присоединена комбинация из трех атомов, которая представлена одним атомом азота и двумя атомами водорода. Это аминогруппа, в химическом отношении она родственна веществу, называемому «аммиаком». Поскольку формула содержит аминогруппу и кислотную группу, то все соединения такого типа носят название аминокислот.
Кроме того, к центральному атому углерода присоединен атом водорода, который в аминокислоте представляет сам себя, и функциональная группа R, которая представляет боковую цепь. Все аминокислоты отличаются друг от друга именно составом боковой цепи, или R. Иногда боковая цепь устроена очень просто, она может вообще состоять из одного лишь атома водорода, по это простейший случай. У некоторых аминокислот боковая цепь может быть весьма сложной, и количество атомов в ней может доходить до восемнадцати. Для целей нашего изложения нам не обязательно знать в точности строение боковой цепи каждой аминокислоты, достаточно понимать, что боковые цепи аминокислот отличаются между собой, и у двух разных аминокислот не может быть одинаковых боковых цепей.
Аминокислоты соединяются друг с другом, образуя белки, при этом аминогруппа одной кислоты соединяется с карбоксильной группой соседней кислоты. Таким образом, между собой соединяется множество аминокислот, образуя длинный скелет. По сторонам этого скелета выступают боковые цепи аминокислот, при этом неповторимая, уникальная последовательность этих цепей образует типы белков, отличающихся между собой составом этих последовательностей.
Во всем великом множестве белков встречается более двух дюжин аминокислот, но наибольшее распространение имеет 21 из них. Вот они:
1. Глицин(«сладкая» (греч.), названа из-за ее сладкого вкуса).
2. Алании(название выбрано, вероятно, для благозвучия). (По другому толкованию, эта аминокислота названа так потому, что ее впервые выделили из желточного мешка, который в эмбриологии называется «алантоис». — Примеч. пер.)
3. Валин(название происходит от валериановой кислоты, которой валил близок по химическому строению).
4. Лейцин(«Белый» (греч.), назван так потому, что впервые был выделен в виде белого кристаллического порошка).
5. Изолейцин(изомер лейцина; изомерами называют пары веществ, которые содержат одинаковое количество одних и тех же атомов и отличаются между собой разной последовательностью соединения этих атомов в молекулах).
6. Пролин(укороченное производное от «пирролидин». Атомы в молекуле пролина соединены приблизительно так же, как в пирролидине).
7. Фенилаланин(молекула аланииа, к которой присоединена группа атомов, называемая фенильной).
8. Тирозин(«сыр» (греч.), названа так потому, что впервые была получена из сыра).
9. Трипотофан(«трипсин-зависимая»; эта аминокислота названа так потому, что ее впервые обнаружили во фрагментах белков, расщепленных под действием энзима трипсина).
10. Серии(«шелк» (лат.), эта аминокислота впервые была обнаружена в шелке).
11. Треонии(название дано потому, что по структуре эта аминокислота сходна с сахаром треозой).
12. Аспарагин(впервые был обнаружен в спарже [asparagus altilis]).
13. Аспарагиновая кислота(по химическому строению напоминает аспарагин; отличие между этими двумя соединениями заключается в том, что у аспарагиновой кислоты в боковой цепи вместо амидной группы [CONHJ находится карбоксильная группа [СООН], которая и сообщает ей кислые свойства).
14. Глютамин(впервые был обнаружен в клейковине [gluten (англ.)]).
15. Глютаминовая кислота(отличается от глютамина тем же, чем аспарагиновая кислота отличается от аспарагина).
16. Лизин(«разрывающий» (греч.), эта аминокислота была впервые выделена из белка, предварительно расщепленного на несколько субъединиц).
17. Гистидин(«тканевый» (греч.), название дано потому, что эта аминокислота была впервые выделена из тканевых белков).
18. Аргинин(«серебро» (греч.), название дано потому, что эта аминокислота была впервые выделена в соединении с атомом серебра).
19. Метионин(боковая цепь содержит метильную группу, присоединенную к атому серы.
20. Цистин(«пузырь» (греч.), аминокислота была впервые выделена из камня мочевого пузыря).
21. Цистеин(аминокислота, по химическому строению похожая на цистин).
Я буду очень часто использовать эти названия в дальнейшем изложении. Для того чтобы сэкономить место, позвольте мне привести сокращенные наименования для каждой из аминокислот. Эти сокращения предложил в 30-х годах американский биохимик немецкого происхождения Эрвин Бранд. Сокращения эти легко запомнить, так как они состоят из первых трех букв названия каждой аминокислоты.
Глицин gly
Алании ala
Валин val
Лейцин leu
Аспарагин asp-NH2
Аспарагиновая кислота asp
Глютамин glu-NH2
Глютаминовая кислота glu
Изолейцин ileu
Пролип pro
Фенилаланин phe
Тирозин tyr
Триптофан try
Серин ser
Треонин thr
Лизин lys
Гистидин his
Аргинин arg
Метионин met
Цистин cy-S-
Цистеин cy-S-H
Совершенно ясно, почему сокращения ileu, aspNH2, gluNH, содержат больше трех букв. Сокращения для цистина и цистеина выглядят куда более загадочными и заслуживают разъяснения, тем более что немного позже вам станет ясна их важность.
Цистин — это, если можно так выразиться, двойная аминокислота. Представьте себе два центральных углеродных атома, каждый из которых соединен с карбоксильной и аминогруппой. Боковая цепь, присоединенная к одному из центральных атомов углерода, направляется к боковой цепи другого центрального углеродного атома и срастается с ней. В месте этого сращения встречаются два атома серы. В химических символах мы можем изобразить цистин так: cy-S-S-cy. Два атома серы образуют между собой ковалентную связь, которая и удерживает вместе две части этой двойной аминокислоты.
Каждая половина цистина может участвовать в создании отдельной аминокислотной цепи. Для наглядности представьте себе сиамских близнецов, из которых каждый, взявшись за руки с другими людьми, образует свою цепь. Обе эти цепи оказываются связанными между собой тканью, которая связывает сиамских близнецов.
Подобным же образом две аминокислотные цепи, каждая из которых содержит половину цистина, удерживаются вместе его S-S связями (которые называются дисульфидными мостиками). Поскольку химиков часто интересует строение единичной аминокислотной цепи, они могут сконцентрировать свое внимание на половинке молекулы цистина, которая представлена в цепи. При рассмотрении структуры того или иного белка чаще всего принимают в расчет именно половину цистина, которую в этом случае обозначают символом cy-S-.
Для того чтобы разделить соединенные дисульфидными мостиками аминокислотные цени, надо разорвать S-S связи, присоединив к атомам серы по атому водорода. После такого соединения связь между атомами серы разрывается. Из S-S получается — S-H и H-S-. Таким образом, одна молекула цистина превращается в две молекулы цистеина (названия этих аминокислот очень похожи, но для того, чтобы произнести название половинки, надо напрячься и тщательно артикулировать средний слог — «цис-те-ин»). Для демонстрации разницы между цистином и цистеином последний обозначают символом cy-SH.